基于磁通門傳感器的鐵磁探測系統(tǒng)為MRI構(gòu)建安全無磁環(huán)境

磁異信號探測具有重要的應(yīng)用價值，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、國防軍事、工業(yè)生產(chǎn)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域?，F(xiàn)實生活中，一些區(qū)域需要進(jìn)行鐵磁探測來實現(xiàn)無磁化，特別是鐵磁性物質(zhì)會產(chǎn)生干擾的環(huán)境，如核磁共振檢查區(qū)域。在醫(yī)療器械領(lǐng)域，核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）設(shè)備是臨床上普遍應(yīng)用的醫(yī)學(xué)成像設(shè)備，但是由于MRI所在的空間存在強磁場，鐵磁性物質(zhì)誤入造成的人員受傷、干擾成像、中斷工作和設(shè)備損壞成為MRI安全的一大隱患。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，針對核磁共振檢查所處的環(huán)境背景磁場復(fù)雜、干擾較多，系統(tǒng)出現(xiàn)誤報警高、探測失效等問題，上海理工大學(xué)的研究人員設(shè)計出一種基于磁通門傳感器的鐵磁探測系統(tǒng)，實現(xiàn)了MRI檢查前的無磁化穩(wěn)定探測。該系統(tǒng)在核磁共振室外復(fù)雜磁場環(huán)境可以減少設(shè)備工作時的誤報警，有效探測出鐵磁性物質(zhì)。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《電子測量技術(shù)》期刊。

在MRI室外，存在磁場噪聲干擾，其中最主要的是MRI設(shè)備產(chǎn)生的梯度磁場、射頻電子脈沖以及其它電磁噪聲，這些因素會影響感應(yīng)信號的輸出，使采集的信號存在隨機性。原有鐵磁探測系統(tǒng)在復(fù)雜磁場環(huán)境下工作誤報警率高，并且易輸出飽和。針對原有系統(tǒng)存在的不足，研究人員設(shè)計了一種基于磁通門傳感器的鐵磁探測系統(tǒng)。系統(tǒng)總體方案如圖1所示，主控芯片為DSPTMS320F28335，使用磁通門傳感器作為系統(tǒng)磁場探測的探頭。系統(tǒng)主要包括激勵信號產(chǎn)生部分、感應(yīng)信號處理部分、AD采集部分、數(shù)據(jù)處理算法部分，探測的磁場數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙串口實時傳至上位機顯示。在均勻分布的磁場中，鐵磁性物質(zhì)進(jìn)入會破壞周圍的磁場產(chǎn)生磁異常信號，系統(tǒng)通過解析異常信號，實現(xiàn)對鐵磁性物質(zhì)探測。系統(tǒng)進(jìn)行磁場探測的傳感器是平行式結(jié)構(gòu)的雙磁芯磁通門傳感器，如圖2所示。

圖1 基于磁通門傳感器的鐵磁探測系統(tǒng)總體方案

圖2 雙磁芯磁通門傳感器

該系統(tǒng)使用二次諧波法測量磁場信號，設(shè)計模擬電路進(jìn)行信號相敏檢測。通過積分反饋提高閉環(huán)系統(tǒng)的線性度和抗干擾性，探頭工作在穩(wěn)定的狀態(tài)。采用卡爾曼濾波對背景磁場和磁異信號進(jìn)行處理，提高信號信噪比，同時設(shè)計了能量檢測器對磁異信號進(jìn)行檢測。

圖3 AD630相敏檢測電路

圖4 卡爾曼濾波信號

通過試驗測試，該系統(tǒng)信號輸出的幅值、能量值與測試物體的鐵磁性含量和距離有關(guān)，鐵磁性含量越大、距離越近，磁異信號幅值和能量檢測值隨之增加，該系統(tǒng)對常見隨身攜帶的鐵磁性物體有效探測距離可以達(dá)到1m。原系統(tǒng)在MRI工作的環(huán)境下易產(chǎn)生誤報警，現(xiàn)有系統(tǒng)的誤報警得到改善，在MRI工作時平均誤報警率下降到5.8%。該系統(tǒng)為MRI檢查構(gòu)建了安全的無磁環(huán)境，提高了設(shè)備檢查效率。

圖5 鐵磁探測系統(tǒng)工作示意圖

圖6 能量檢測器計算值

審核編輯：劉清